Siliziumkarbid-Transistoren verbessern Effizienz von PV-Heimspeichersystemen

Vor dem Hintergrund von Energiewende und steigenden Energie­kosten für Endverbraucher koppeln immer mehr Privat­haushalte ihre Solar­anlagen mit Batterie­speichern. Eine der großen Heraus­forderungen bei diesen Heimspeicher­systemen besteht darin, dass die Batterien bei intensiver Sonnen­einstrahlung innerhalb weniger Stunden aufgeladen und dann über einen längeren Zeitraum bei sehr geringer Leistung entladen werden. Daher sollten Batterie­wechsel­richter einen hohen Umwandlungs­wirkungsgrad über einen möglichst breiten Leistungs­bereich haben. Das Fraunhofer-Institut für solare Energie­systeme hat in dem 2017 gestarteten Projekt HyBaG in Zusammen­arbeit mit Kaco New Energy und Spezial-Trans­formatoren Stockach einen auch im Teillast­bereich verlustarmen Hybrid-Wechsel­richter entwickelt. Privat­haushalte können mit dem neuen Wechsel­richter bis zu 250 Euro jährlich sparen.

Energiespeichersysteme können einen wichtigen Beitrag zur Speicherung von erneuerbarer Energie, zur Reduktion der CO₂-Emissionen und zur Stabili­sierung des Stromnetzes leisten. Dafür müssen diese Systeme in Bezug auf Effizienz, Kosten und Ressourcen­verbrauch stets weiter optimiert werden. Die Partner im Projekt HyBaG haben einen Demonstrator für ein PV-Heimspeicher­system entwickelt, welches höchsten Anforderungen genügt. Das Fraunhofer-ISE entwickelte dabei in seinem Teilvorhaben kompakte hoch­effiziente Batterie­lade­geräte einschließlich der entscheidenden innovativen Regelungs­technik. Zentraler Bestandteil des Teil­projekts war die Entwicklung von kompakten und modularen Batterie­stellern, welche durch den Einsatz von neuartigen Gallium­nitrid- und Silizium­karbid-Bauelementen erreicht werden konnte. Die Transistoren-Brücken­schaltungen bilden den Kern der Batterie­ladegeräte und ermöglichen es, immer schneller bei geringeren Verlusten zu schalten.

Zur Optimierung des Teillast­wirkungs­grads wurden im Rahmen des Forschungs­projekts verschiedene Ansätze simulativ untersucht und die besten Konzepte proto­typisch umgesetzt. Die Optimie­rungen bezogen sich sowohl auf die Hardware als auch auf Weiter­entwick­lungen der Software zur Ansteuerung der Leistungs­elektronik. Schaltungs­technisch wurden zunächst verschiedene Topologien untersucht und hinsichtlich des Teillast­wirkungs­grads bei geringer Leistung bewertet. Unter Berück­sich­tigung verschiedener Bewertungs­parameter wurde ein drei­phasiger Synchron­wandler für den Hochvolt-Batterie­steller ausgewählt und aufgebaut. Dieser ermöglicht es, durch die Aktivierung oder Deakti­vierung einzelner Wandler­brücken den Leistungs­bereich gezielt anzupassen.

Für sehr geringe Leistungen wird zusätzlich ein entsprechender Betriebs­modus mit variabler Schalt­frequenz zur Ansteuerung mit möglichst geringen Schalt­verlusten und ein pulsie­render Betrieb mit nur einer Phase aktiviert, bei dem der Wandler nur zehn Prozent der Zeit aktiv ist. „Dadurch kann der Teillast­wirkungs­grad erheblich gesteigert werden, da damit die Ansteuer- und Leerlaufverluste reduziert werden können, die den Wirkungs­grad im Teillast­bereich stark beeinflussen“, erklärt Cornelius Armbruster, Projekt­leiter am Fraunhofer-ISE. Falls nicht alle Phasen gleich­zeitig betrieben werden, empfiehlt es sich, zur gleich­mäßigen thermischen Belastung die einzelnen Phasen alter­nierend zu betreiben. Je nach Leistungs­bereich zeigt ein unter­schied­liches Modulations­verfahren den besten Wirkungs­grad. Im Rahmen des Projekts wurde daher eine wirkungs­grad­optimierte und an den Leistungs­bereich angepasste Betriebs­führung entwickelt und umgesetzt.

In der Serienproduktion können auf Silizium­karbid-Kompo­nenten basierende Heimspeicher­systeme bereits nahezu kosten­neutral in den Markt gebracht werden. Die Optimierung hinsichtlich des Teillast­wirkungs­grads erfolgt bis heute noch kaum. Ein grober Vergleich der verfügbaren Heimspeicher­systeme am Markt zeigt, dass es immer noch erhebliche Unter­schiede zwischen den verfügbaren Systemen gibt. „Ein wesent­licher Einfluss­faktor für die Unter­schiede der am Markt verfüg­baren Systeme sind die Verluste im Teillast­bereich“, erklärt Leonhard Probst, der im Projekt die Optimie­rungen des Batterie­lade­geräts verantwortet. Sehr gute Heimspeicher­systeme verursachen weniger Verluste: Simulationen im Rahmen des Projekts HyBaG haben gezeigt, dass jährliche Einsparungen von 150 bis 250 Euro beim Strombezug erwartet werden. Das Entwickler­team des Fraunhofer-ISE ist in engem Austausch mit Herstellern von Batterie­speicher­systemen, um die Optimierungs­potenziale aufzu­zeigen und neue Technologie­entwicklungen zu begleiten.

Fh.-ISE / RK

Weiter Infos

• Wechselrichter in Netzen, Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme, Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme, Freiburg
• HyBaG – Modulare, hybride Leistungselektronik für die Energiewende, Bundesministerium für Bildung und Forschung